JP3585374B2 - Semiconductor storage device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリセルの電荷蓄積キャパシタの容量絶縁膜に強誘電体を用いた半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在の代表的な半導体メモリ装置はダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)であるが、最近になってそのDRAMメモリセルの電荷蓄積キャパシタの絶縁膜に強誘電体を使った強誘電体メモリ装置(FeRAM)なるものが開発された。このメモリ装置は、DRAMが揮発性メモリであるのに対し、外部電界を取り去っても分極が残る強誘電体特有の性質によって、不揮発性メモリとして使用できる。また、既存の書換可能な不揮発性メモリ装置に対しても、消費電力が少なく書換速度が早いなどの優れた特性を有している。そのため次世代の主力メモリ装置として関心が高まっている。
【0003】
図8(a)はDRAMおよびFeRAMのメモリセルキャパシタの電圧−電荷量特性図であり、横軸にキャパシタ両電極間の電圧V、縦軸にキャパシタの電極に蓄えられる電荷量Qをとってある。なお、電圧の向きと分極の向きは、図8(b)に示すように、上から下方向へ向かう向きを正とする。
キャパシタに蓄えられる電荷量Qはキャパシタ容量Cとキャパシタ電極間の電圧Vとの積で求められるが、常誘電体を絶縁膜に用いたDRAMメモリセルのキャパシタ(常誘電体キャパシタ)では、容量Cはキャパシタ固有ものであり、一定の値をとる。また、電圧Vが0ボルトの時は電荷量Qも0クーロンである。図8(a)の直線▲1▼で示す特性がその例である。これに対し、強誘電体を絶縁膜に用いたFeRAMメモリセルのキャパシタ(強誘電体キャパシタ)では、容量Cは電圧Vの値および履歴によって変化し、電圧Vが0ボルトの時の電荷量Qも電圧Vの履歴によって変化する。図8(a)の曲線▲2▼で示す特性がその例である。
【0004】
以下、図8(a)の曲線▲2▼で表される強誘電体キャパシタの電圧−電荷量特性について詳しく説明する。
初期状態として、強誘電体キャパシタは1度も電界がかけられておらず、分極も発生していない図中のO点で示す状態にあるとする。キャパシタの両極板間の電圧Vが増加するにつれて電極に発生する電荷量Qは曲線O−Aの経路をたどって増加し、A点の状態へと変化する。A点ではキャパシタの両極板間に電圧がかかっており、その電圧のため極板には電荷が、強誘電体内には分極が発生している。次に、電圧Vを減少させ0にすると、キャパシタの状態は曲線A−Bの経路をたどってB点の状態へ変化する。B点ではキャパシタの両極板間の電圧Vは0であるが、強誘電体内ではA点で発生していた分極が残っているため(残留分極)、その分極によって極板には電荷が発生している。さらに、負の方向へ電圧Vをかけた場合、キャパシタの状態は曲線B−Cの経路をたどってC点の状態へ変化する。このC点ではA点とは逆向きの電圧が極板間にかかっており、Aとは逆極性の電荷が極板に、逆向きの分極が強誘電体内に発生している。さらに、電圧Vを0に戻せば曲線C−Dの経路をたどってD点の状態へ変化し、このD点では、強誘電体内にはC点で発生していた分極が残っており、極板にはB点とは逆極性の電荷が発生している。さらに、再び正の電圧をかけた場合は、曲線D−Aの経路をたどってA点の状態へと変化する。
【0005】
以上のような特性を持つ強誘電体キャパシタをFeRAMの半導体記憶装置として応用する1つの方法を図9に示す。図9(a)は図8(a)と同じく強誘電体キャパシタの電圧−電荷量特性図であるが、図9(b)と(c)に示すメモリセルに応用した場合に、データをビット線に読み出すときに起こるキャパシタの状態変化を示したものである。ここで、図9(b)のメモリセルと図9(c)のメモリセルとは異なるデータが書き込まれている。なお、図9(b),(c)において、1はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、2はNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、3はワード線、4はセルプレート、5はビット線、6はビット線5の浮遊容量であり、強誘電体キャパシタ1内にある分極の向きは図8(b)と同じ様にとってある。以下、FeRAMのデータ記憶の原理について、図9(a),(b),(c)を用いて説明する。
【0006】
図9(b)のメモリセルの強誘電体キャパシタ1には正方向に電圧をかけた場合の残留分極が発生しており、その状態は図9(a)のB点で表される。また、図9(c)のメモリセルの強誘電体キャパシタ1には負方向に電圧をかけた場合の残留分極が発生しており、その状態は図9(a)のD点で表される。
図9(b),(c)で示されるメモリセルからデータを読み出す場合は、まずビット線5の電位BLをグランドレベルにプリチャージしておき、次にワード線3の電位WLを上げてアクセス用トランジスタ2をオンさせ、セルプレート4の電位CPをVBCまで上げる。すると、強誘電体キャパシタ1には負方向の電圧がかかり、図9(a)のC点の状態へ向けて変化する。ただし、強誘電体キャパシタ1にかかる電圧は、VBCをビット線5の浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1とで容量分割することによって決まるため、図8(a)での説明とは異なり、C点までの途中で強誘電体キャパシタ1の状態変化は止まる。すなわち、図9(a)のB点の状態にあった場合は、曲線B−C上のE点まで変化し、その時にビット線5に発生する電位はVである。一方、D点の状態にあった場合は、曲線D−C上のF点まで変化し、その時のビット線5の電位はVである。この時のビット線電位の関係はV>Vである。すなわち、図9(b)の強誘電体キャパシタ1の状態をデータ「1」とすれば、ビット線5の電位はH(ハイ)レベルとなり、図9(c)の強誘電体キャパシタ1の状態をデータ「0」とすれば、ビット線5の電位はL(ロー)レベルとなる。
【0007】
以上のように、強誘電体キャパシタ1の分極の向きにデータを対応させて記憶し、メモリセルからビット線5にデータを読み出したときに、分極の向きによってビット線5に発生する電位が異なることを利用してデータ「1」と「0」を判別することがFeRAMのデータ記憶原理である。
図10はこれまで述べてきたFeRAMの動作原理を用いてデータを記憶する従来の1Tr−1C(1−Transistor 1−Capacitance)型半導体記憶装置の一例を示すメモリセル列の回路図である。図10において、1はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、2はメモリセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、3はワード線、4はセルプレート、5と7はビット線、9はリファレンスセル用の強誘電体キャパシタであり、強誘電体キャパシタ9の方が強誘電体キャパシタ1に比べ面積を大きくしてある。10はリファレンスセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、11はリファレンスワード線、12はリファレンスセルプレート、13と14はビット線5と7をグランド電位にプリチャージするためのNMOSトランジスタからなるプリチャージ用トランジスタで、15はその制御信号φを供給する制御信号線である。16はビット線5と7の電位差を増幅する差動増幅器で、ここでは制御信号φにより活性・不活性を制御できるクロックドCMOSインバータ2個で構成されている。17はデータ線、19はビット線5とデータ線17とを接続するトランスファーゲートで、制御信号φによってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。
【0008】
また、図11は図10の半導体記憶装置のデータ読みだし動作のタイミング図である。図11において、WL、CP、RWL、RCP、BL、/BLはそれぞれワード線3、セルプレート4、リファレンスワード線11、リファレンスセルプレート12、ビット線5、ビット線7の電位であり、φ、φはそれぞれ差動増幅器16、プリチャージ用トランジスタ13・14の制御信号のレベルである。
【0009】
この従来の半導体記憶装置でのデータの読み出し動作について、図10と図11を用いて説明する。
初期状態として、図10における各ノードは全てグランド電位にあり、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9にはデータ「0」が書き込まれているとする。まず、ワード線3とリファレンスワード線11の電位WL,RWLを上げてアクセス用トランジスタ2と10をオンさせ、セルプレート4とリファレンスセルプレート12の電位CP,RCPを上げる。すると、ビット線5の電位BLにはメモリセル用の強誘電体キャパシタ1の自発分極の向きによって異なる電位があらわれ、ビット線7の電位/BLにはデータ「1」とデータ「0」を読み出した時の電位の間にある一定の電位があらわれる。次に、制御信号φをイネーブルにして差動増幅器16を活性化させ、ビット線7の電位/BLをリファレンスとして、ビット線5の電位BLを増幅する。増幅が終わった後に、制御信号φをイネーブルにしてトランスファーゲート19をオンさせ、ビット線5の電位BLをデータ線17へ送る。以上がこの装置での読み出し動作である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体記憶装置では、メモリセルからビット線5に読み出された電位がH(ハイ)レベルであるかL(ロー)レベルであるかを判定する時に基準とする電位を、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9にメモリセル用の強誘電体キャパシタ1よりも面積の大きいキャパシタを用い、その強誘電体キャパシタ9にデータ「0」を書き込み、それをビット線7へ読み出すことで発生させるようにしているが、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9にメモリセル用の強誘電体キャパシタ1よりも面積の小さいキャパシタを用い、その強誘電体キャパシタ9にデータ「1」を書き込み、それをビット線7へ読み出すことで発生させるようにしてもよい。
【0011】
しかしながらいずれにしても、ちょうどHレベルとLレベルの中間電位を発生させるリファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9の面積を設計することや、設計通りに一定の特性を持ったリファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9を作製することは製造上のバラツキの問題により難しい。
また、メモリセル用の強誘電体キャパシタ1の特性やビット線容量においてもバラツキがあり、それらの要因が1Tr−1C動作のマージンを狭め、安定して動作する1Tr−1C型FeRAMデバイスの実現や高い歩留まりを達成することを困難にしている。
【0012】
また、強誘電体キャパシタ1,9の特性がデバイスの使用中のストレスなどによって変化するため、使用中にメモリセルからのHレベル、Lレベルの電位やリファレンスセルからのリファレンス電位が変動する現象が発生し、動作マージンを狭めるため信頼性の大きな問題となっている。
本発明の目的は、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、広い動作マージンにより安定して動作し、高い信頼性の得られるFeRAMである半導体記憶装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の半導体記憶装置は、強誘電体からなる容量絶縁膜を有する強誘電体キャパシタを用いたメモリセルと、メモリセルからデータ読み出し時にワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、第1のビット線と対をなす第2のビット線と、メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、動作条件を最適化するプリチャージ電位を、セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、電位供給回路と第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、データ読み出し時に第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて第1のビット線と第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、データ読み出し時において、セルプレートがワード線の活性化後、差動増幅器による増幅開始までの間に、セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする。
【0014】
この構成によれば、ビット線のプリチャージ電位をセルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位とし、メモリセルから第1のビット線へデータを読み出す際に、第2のビット線に保たれているプリチャージ電位をリファレンス電位として増幅するようにしているため、従来、リファレンス電位を発生させるために必要としていたリファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、その設計・製造上の問題を回避することができる。また、プリチャージ電位をリファレンス電位として用い、データが読み出されるビット線の電位がプリチャージ電位より高いか低いかということでデータを判別するため、メモリセル用の強誘電体キャパシタの特性やビット線容量のバラツキの影響は大幅に軽減され、使用中の強誘電体キャパシタ特性の変動に対しても同様である。したがって、広い動作マージンにより安定に動作し、高い信頼性を持ったFeRAMを実現できる。
さらに、異なるプリチャージ電位を供給する電位供給回路を選択できるため、P検時(拡散終了直後のウエハ状態でのデバイス検査時)のメモリセル用の強誘電体キャパシタ特性や、デバイス使用時の特性変動にあわせて最適なプリチャージ電位を選択することができ、動作条件を最適化してより安定して動作させることが可能である。
【0015】
請求項2記載の半導体記憶装置は、強誘電体からなる容量絶縁膜を有する強誘電体キャパシタを用いた第1および第2のメモリセルと、第1のメモリセルからデータ読み出し時に第1のワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、第1のビット線と対をなし第2のメモリセルからデータ読み出し時に第2のワード線の活性化によってデータが読み出される第2のビット線と、メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、動作条件を最適化するプリチャージ電位を、セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、電位供給回路と第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、第1のメモリセルからデータ読み出し時に第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて第1のビット線と第2のビット線との電位差を増幅し、第2のメモリセルからデータ読み出し時に第1のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて第1のビット線と第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、データ読み出し時において、セルプレートが第1または第2のワード線の活性化後、差動増幅器による増幅開始までの間に、セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする。
【0016】
この構成によれば、請求項1と同様の効果に加え、第1のメモリセルのデータは第1のビット線に読み出され、第2のメモリセルのデータは第2のビット線に読み出されるようにしているため、データを読み出すビット線とリファレンス電位に保つビット線とを交互に入れ換えることで、ビット線を有効に活用し、メモリセルブロック面積を縮小することが可能になる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1は本発明の第1の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図であり、1Tr−1C型FeRAMを示す。図1において、1はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、2はメモリセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、3はワード線、4はセルプレート、5と7はビット線(5は第1のビット線,7は第2のビット線)、16はビット線5と7の電位差を増幅する差動増幅器で、ここでは制御信号φにより活性・不活性を制御できるクロックドCMOSインバータ2個で構成されている。17はデータ線、19はビット線5とデータ線17とを接続するトランスファーゲートで、制御信号φによってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。31、32はそれぞれビット線5、7と電位供給回路33とを接続するトランスファーゲートで、制御信号φによってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。電位供給回路33は任意の電位を供給可能である。
【0019】
この実施の形態の半導体記憶装置は、図10に示される従来例におけるリファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9およびそのアクセス用トランジスタ10等を無くし、対をなすビット線5と7にプリチャージ電位を供給するための電位供給回路33と、この電位供給回路33とそれぞれのビット線5、7とを導通・遮断するトランスファーゲート31、32とを設けている。また、電位供給回路33は、セルプレート4のLレベルとHレベルとの間の電位をプリチャージ電位としてビット線5と7に供給するようにしている。
【0020】
また、図2は図1の半導体記憶装置での第1のデータ読みだし動作のタイミング図であり、WL、CP、BL、/BLはそれぞれワード線3、セルプレート4、ビット線5、ビット線7の電位であり、φ、φはそれぞれ差動増幅器16、トランスファゲート31・32の制御信号のレベルである。この装置でのデータの読み出し動作について、図1と図2を用いて説明する。ここでは、セルプレート4のLレベルをグランドに、Hレベルを電源電圧にとって説明する。
【0021】
初期状態として、図1のトランスファゲート31と32はオン状態で、電位供給回路33によって、ビット線5と7はグランドレベルと電源電圧レベルの中間にある電位にプリチャージされており、その他のノードは全てグランド電位にあるとする。
まず、プリチャージ終了後、制御信号φによりトランスファゲート31と32をオフ状態にして、ワード線3の電位WLを上げてアクセス用トランジスタ2をオンさせる。すると、強誘電体キャパシタ1に書き込まれていたデータに応じて、ビット線5から強誘電体キャパシタ1に電荷が移動し、ビット線5の電位BLが下がる。
【0022】
次に、セルプレート4の電位CPを上げると、強誘電体キャパシタ1からビット線5に、強誘電体キャパシタ1に書き込まれていたデータに応じた電荷の移動が起こり、ビット線5の電位BLは上がる。最終的にビット線5の電位BLは、強誘電体キャパシタ1にデータ「1」が書き込まれていた場合は、ビット線プリチャージ電位より高くなり、データ「0」が書き込まれていた場合は、ビット線プリチャージ電位より低くなる。その電位の変動を、制御信号φをイネーブルにして差動増幅器16を活性化させ、ビット線7に保っていたプリチャージ電位(/BL)をリファレンス電位として増幅する。増幅が終わった後に、制御信号φをイネーブルにしてトランスファーゲート19をオンさせ、ビット線5の電位BLをデータ線17へ送ることで読み出し動作が完了する。
【0023】
さらに、図3および図4を用いて上記データの読み出し動作の原理について説明する。図3は上記データの読み出し動作の原理を説明するための図である。なお、図3(a)、(b)、(c)において、6はビット線5の浮遊容量で、強誘電体キャパシタ1およびビット線浮遊容量6の電圧の向きは図8(b)と同じ様に上から下方向を正にとってある。図4はメモリセル用の強誘電体キャパシタ1の電圧−電荷量特性図であり、横軸にキャパシタ両電極間の電圧V、縦軸にキャパシタの電極に蓄えられる電荷量Qをとってある。この図4は図3(a)、(b)、(c)に示す読み出し動作をした場合に起こる強誘電体キャパシタ1の状態変化を示したものである。
【0024】
図3(a)はデータを読み出す直前の状態で、ビット線浮遊容量6は電位VB0でプリチャージされており、その電圧によって極板に電荷QB0が発生している。強誘電体キャパシタ1は図4のB点で示す状態にあり、極板間電圧Vは0であるが、強誘電体の残留分極によって、電荷QS0が発生している。ビット線浮遊容量6の値をC、強誘電体キャパシタ1の容量値をCと置いた場合、Cは一定の値をとるが、Cは図4の電圧−電荷量特性を示す曲線上の位置によって異なる値を持つ。また、ビット線浮遊容量6の片方の極板はグランドに接続され、もう一方の極板はハイインピーダンス状態にある。強誘電体キャパシタ1の片方の極板はグランドレベルに保たれているセルプレート4に接続され、もう一方の極板はハイインピーダンス状態にある。
【0025】
この状態からワード線3の電位を上げ、アクセス用トランジスタ2をオンさせて、図3(b)のように、ビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1のハイインピーダンス状態にあった極板を電気的に接続すると、2つのキャパシタ(1,6)の電圧が極板間電圧が等しくなるまでビット線浮遊容量6から強誘電体キャパシタ1へ電荷が移動し、最終的にビット線浮遊容量6に電圧VB1と電荷QB1が、強誘電体キャパシタ1に電圧VS1と電荷QS1が発生して安定する。また、強誘電体キャパシタ1の状態は図4の曲線BGをたどってG点の状態に変化する。この安定状態でのビット線電位VB1を求めると、
電荷量保存の法則から、
B0+QS0=QB1+QS1 (1)
また両キャパシタの電圧は等しいから、
B1=VS1 (2)
キャパシタに蓄えられる電荷量は容量値と極板間電圧の積であるから、ビット線浮遊容量6の電荷量は、
B0=C・VB0
B1=C・VB1
となる。
【0026】
図4におけるB点からG点までの強誘電体キャパシタ1の状態変化を2点を結ぶ直線で近似し、その傾きをCS1とした場合、強誘電体キャパシタ1の電荷量QS1は、
S1=CS1・VS1+QS0 (3)
これらを式(1)へ代入すると、
・VB0+QS0=C・VB1+CS1・VS1+QS0
さらに、式(2)を代入して整理すると、
・VB0=(C+CS1)・VB1
よって、ビット線電位VB1は、
B1={C/(C+CS1)}・VB0 (4)
となる。
【0027】
次に図3(c)のようにセルプレート4の電位CPを電源電位Vに上げると、今度は図3(b)の場合とは逆に強誘電体キャパシタ1からビット線浮遊容量6へ電荷が移動し、電圧Vをビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1の容量で容量分割した電圧VB2とVS2が発生して安定する。その時、ビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1にはそれぞれ電荷QB2とQS2が発生している。また、強誘電体キャパシタ1の状態は図4の曲線GHをたどってH点の状態に変化する。この安定状態でのビット線電位VB2を求めると、
電荷量保存の法則から、
B0+QS0=QB2+QS2 (5)
また、ビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1の電圧の和が電圧Vになるので、
B2−VS2=V (6)
ビット線浮遊容量6の電荷量は、
B0=C・VB0
B2=C・VB2
となる。
【0028】
図4におけるG点からH点までの強誘電体キャパシタ1の状態変化を2点を結ぶ直線で近似し、その傾きをCS2、Q接片をQとした場合、
その近似直線は、
Q=CS2・V+Q
この近似直線はG点を通ることから、式(3)よりG点の電荷量Qと電圧Vの関係を求め代入すると、
S1・VS1+QS0=CS2・VS1+Q
変形すると、
(CS1−CS2)・VS1+QS0=Q
したがって強誘電体キャパシタ1の電荷量は、
S2=CS2・VS2+(CS1−CS2)・VS1+QS0 (7)
これらを式(5)へ代入すると、
・VB0+QS0=C・VB2+CS2・VS2+(CS1−CS2)・VS1+QS0
式(6)を代入して整理すると、
・VB0=(C+CS2)・VB2−CS2・V+(CS1−CS2)・VS1
さらに式(2)と式(4)より、VS1の値を代入すると、

Figure 0003585374
となる。
【0029】
式(8)に示すように、図3(c)のビット線電位VB2は、プリチャージ電位VB0、セルプレート電位V、ビット線浮遊容量C、強誘電体キャパシタ1の近似容量CS1とCS2の関係で決定されるが、一般にCS1がCS2より小さい時にプリチャージ電位VB0より大きくなる傾向にある。強誘電体キャパシタ1が図4のB点にある場合はCS1<CS2なので、CやVB0やVを調整すればビット線電位VB2はプリチャージ電位VB0に比べ高くなる。端的に言えば、ビット線浮遊容量6から強誘電体キャパシタ1に電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に正方向の電圧がかかり、分極の変化が少ないため移動量は少ないが、強誘電体キャパシタ1からビット線浮遊容量6へ電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に負方向の電圧がかかり、分極の変化が大きいため移動量も多くなり、その差し引きの結果、ビット線5へ電荷が移動したことになり、ビット線5の電位が上がるのである。
【0030】
また、データを読み出す前の強誘電体キャパシタ1が図4のD点の状態にある場合も、ビット線電位VB2は同様にして求められるが、その場合はCS1>CS2なので、ビット線電位VB2はプリチャージ電位VB0に比べ低くなる。すなわち、ビット線浮遊容量6から強誘電体キャパシタ1に電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に正方向の電圧がかかり、分極の変化が大きいため移動量は多く、強誘電体キャパシタ1からビット線浮遊容量6へ電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に負方向の電圧がかかり、分極の変化が小さいため移動量は少なく、その差し引きの結果、強誘電体キャパシタ1へ電荷が移動したことになり、ビット線5の電位が下がるのである。
【0031】
以上の様な原理により、データ読み出し後のビット線5の電位が、データの種類によってプリチャージ電位より高くなったり低くなったりするので、プリチャージ電位をリファレンスとしたデータの判別が可能となるのである。
この実施の形態によれば、ビット線5と7のプリチャージ電位をセルプレート4のHレベルとLレベルとの間の電位とし、強誘電体キャパシタ1からビット線5へデータを読み出す際に、ビット線7に保たれているプリチャージ電位をリファレンス電位として増幅するようにしているため、従来、リファレンス電位を発生させるために必要としていたリファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、その設計・製造上の問題を回避することができる。また、プリチャージ電位をリファレンス電位として用い、データが読み出されるビット線5の電位がプリチャージ電位より高いか低いかということでデータを判別するため、メモリセル用の強誘電体キャパシタの特性やビット線容量のバラツキの影響は大幅に軽減され、使用中の強誘電体キャパシタ特性の変動に対しても同様である。したがって、広い動作マージンにより安定に動作し、高い信頼性を持った1Tr−1C型FeRAMを実現できる。
【0032】
なお、この実施の形態では、セルプレート4のLレベルをグランドに、Hレベルを電源電圧にとって説明したが、セルプレート4のLレベルをグランドレベル以下にとって動作させることも可能で、その場合、ビット線5と7のプリチャージ電位をグランドレベルにすることも可能であり、電位供給回路33を簡略化することができる。
【0033】
また、ワード線3のレベルを上げた時と、セルプレート4の電位を上げた時に、強誘電体キャパシタ1とビット線5の間で電荷の移動が発生するが、電荷の移動が止まり状態が安定する前に、セルプレート4の電位を上げることや、差動増幅器16を活性化させる動作も可能であり、アクセスタイムを短縮することができる。
【0034】
さらに、図5は図1の半導体記憶装置での第2のデータ読みだし動作のタイミング図である。この第2のデータ読みだし動作では、図2の第1のデータ読みだし動作タイミングに対し、セルプレート4の電位CPをHレベルに上げた後に、一度Lレベルに戻して再びHレベルに上げること以外は同じなので詳しい説明は割愛するが、このように、セルプレート4の電位CPの上げ下げを2回以上繰り返してから、差動増幅器16を活性化させる動作も可能である。
【0035】
〔第2の実施の形態〕
図6は本発明の第2の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図であり、1Tr−1C型FeRAMを示す。図6において、21はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、22はメモリセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、23はワード線、24はセルプレート、18はデータ線、20はビット線7とデータ線18を接続するトランスファーゲートで、制御信号φt2によってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。なお、ビット線5とデータ線17を接続するトランスファーゲート19は、ここでは制御信号φt1によって制御される。その他の構成要素は図1と同様なので詳しい説明は省略する。
【0036】
前述の第1の実施の形態では、全てのメモリセルにおいて、メモリセル用の強誘電体キャパシタ1のデータがアクセス用トランジスタ2を介してビット線5に読み出されるように構成されていたが、この第2の実施の形態では、ビット線5と対をなすビット線7にも強誘電体キャパシタ21からアクセス用トランジスタ22を介してデータが読み出されるように構成され、ビット線7にもトランスファーゲート20を介してデータ線18が接続されている。図6におけるビット線5にデータが読み出される強誘電体キャパシタ1を第1のメモリセルとし、ビット線7にデータが読み出される強誘電体キャパシタ21を第2のメモリセルとすると、メモリセルアレイを構成するそれぞれのメモリセル列内に第1のメモリセルと第2のメモリセルとを設けてあれば、第1のメモリセルと第2のメモリセルとの配置に特に制限はない。
【0037】
この構成では、ワード線3と23、セルプレート4と24、トランスファゲート19と20について、動作させる側を選択する以外は第1の実施の形態と同じ動作なのでその説明は省略する。また、トランスファゲート19と20は異なる信号φt1,φt2によって制御するため、データを読み出したビット線の側だけデータ線に接続することが可能であるが、2つのトランスファゲート19と20を両方ともオンして、2本のビット線5・7をそれぞれデータ線17・18に接続しても問題は無い。
【0038】
この実施の形態によれば、対をなすビット線5・7のそれぞれにアクセス用トランジスタ2・22を介してメモリセルの強誘電体キャパシタ1・21を接続し、データを読み出すビット線とリファレンス電位に保つビット線を交互に入れ換えることで、ビット線を有効に活用し、第1の実施の形態に比べ、メモリセルブロック面積を縮小することが可能である。すなわち、第1の実施の形態では、データを読み出すビット線5に対をなすリファレンス電位用のビット線7が一本必要であるが、第2の実施の形態では、データを読み出さない側のビット線をリファレンス電位用として使用することで、リファレンス電位用のみに使用するビット線が無いため、同じビット数のリードに必要なビット線の数は第1の実施の形態の場合の1/2になる。
【0039】
また、セルプレート4とセルプレート24は共通化することが可能なので、さらにメモリセルブロックの面積を縮小することができる。
〔第3の実施の形態〕
図7は本発明の第3の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図であり、1Tr−1C型FeRAMを示す。図7において、41、42、・・・・・・、43は電位供給回路で、その電位は各回路毎に異なっている。44、45、・・・・・・、46はスイッチ素子であり、その他の構成要素は図6と同様なので詳しい説明は省略する。
【0040】
この実施の形態では、図6の電位供給回路33に代えて、それぞれ供給する電位の異なる複数の電位供給回路41,42,・・・・・・,43と、各電位供給回路41,42,・・・・・・,43を選択するためのスイッチ素子44,45,・・・・・・,46とを設けている。この構成により、スイッチ素子44,45,・・・・・・,46で電位供給回路41,42,・・・・・・,43のうちの1つを選択することにより、異なるビット線プリチャージ電位を選択することができる。その他の構成および動作は図6に示す第2の実施の形態と同じであり、説明を省略する。
この実施の形態によれば、第2の実施の形態と同様の効果が得られる他、それぞれ異なるビット線プリチャージ電位を供給する電位供給回路41,42,・・・・・・,43をスイッチ素子44,45,・・・・・・,46で選択できるため、P検時(拡散終了直後のウエハ状態でのデバイス検査時)のメモリセルキャパシタ特性や、デバイス使用時の特性変動にあわせて最適なビット線プリチャージ電位を選択することができ、動作条件を最適化してより安定して動作させることが可能である。
【0041】
また、第1の実施の形態においても、図1の電位供給回路33に代えて、複数の電位供給回路41,42,・・・・・・,43とスイッチ素子44,45,・・・・・・,46とを設けることにより、同様の効果を得ることができる。
なお、スイッチ素子44〜46に代えて、複数の電位供給回路41,42,・・・・・・,43を選択して切り替え接続可能な切り替え回路を設けてもよい。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、ビット線のプリチャージ電位をセルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位とし、メモリセルから対をなす一方のビット線へデータを読み出す際に、他方のビット線に保たれているプリチャージ電位をリファレンス電位として増幅するようにしているため、従来、リファレンス電位を発生させるために必要としていたリファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、その設計・製造上の問題を回避することができる。また、プリチャージ電位をリファレンス電位として用い、データが読み出されるビット線の電位がプリチャージ電位より高いか低いかということでデータを判別するため、メモリセル用の強誘電体キャパシタの特性やビット線容量のバラツキの影響は大幅に軽減され、使用中の強誘電体キャパシタ特性の変動に対しても同様である。したがって、広い動作マージンにより安定に動作し、高い信頼性を持ったFeRAMを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図2】第1の実施の形態の半導体記憶装置での第1のデータ読みだし動作のタイミング図。
【図3】第1の実施の形態におけるデータの読み出し動作の原理を説明するための図。
【図4】第1の実施の形態におけるデータの読み出し時の強誘電体キャパシタの状態変化を示す電圧−電荷量特性図。
【図5】第1の実施の形態の半導体記憶装置での第2のデータ読み出し動作のタイミング図。
【図6】本発明の第2の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図7】本発明の第3の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図8】FeRAMおよびDRAMのメモリセルキャパシタ電圧−電荷量特性(ヒステリシス特性)図。
【図9】従来の半導体記憶装置であるFeRAMのデータ読み出し時のメモリセルキャパシタ電圧−電荷量特性(ヒステリシス特性)および強誘電体キャパシタの状態変化を示す図。
【図10】従来の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図11】従来の半導体記憶装置でのデータ読み出し動作タイミング図。
【符号の説明】
1,21 メモリセル用の強誘電体キャパシタ
2,22 アクセス用トランジスタ
3,23 ワード線
4,24 セルプレート
5,7 ビット線
16 差動増幅器
17,18 データ線
19,20 トランスファーゲート
31,32 トランスファーゲート
33,41,42,43 電位供給回路
44,45,46 スイッチ素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device using a ferroelectric for a capacitance insulating film of a charge storage capacitor of a memory cell.
[0002]
[Prior art]
A typical semiconductor memory device at present is a dynamic random access memory (DRAM), but recently, a ferroelectric memory device (FeRAM) using a ferroelectric material as an insulating film of a charge storage capacitor of the DRAM memory cell. Has been developed. This memory device can be used as a non-volatile memory due to the characteristic of a ferroelectric material, in which the polarization remains even when an external electric field is removed, while the DRAM is a volatile memory. In addition, existing rewritable nonvolatile memory devices have excellent characteristics such as low power consumption and high rewrite speed. For this reason, interest is increasing as a next-generation main memory device.
[0003]
FIG. 8A is a voltage-charge amount characteristic diagram of the memory cell capacitors of the DRAM and the FeRAM. The horizontal axis represents the voltage V between both electrodes of the capacitor, and the vertical axis represents the charge amount Q stored in the electrodes of the capacitor. . As shown in FIG. 8B, the direction of the voltage and the direction of the polarization are positive in the direction from top to bottom.
The amount of charge Q stored in the capacitor is obtained by the product of the capacitor capacitance C and the voltage V between the capacitor electrodes. In a capacitor of a DRAM memory cell using a paraelectric material as an insulating film (paraelectric capacitor), the capacitance C Is specific to the capacitor and takes a constant value. When the voltage V is 0 volt, the charge amount Q is also 0 coulomb. The characteristic shown by the straight line {circle around (1)} in FIG. 8A is an example. On the other hand, in a capacitor (ferroelectric capacitor) of a FeRAM memory cell using a ferroelectric as an insulating film, the capacitance C changes depending on the value and history of the voltage V, and the charge amount Q when the voltage V is 0 volt. Also changes depending on the history of the voltage V. The characteristic shown by the curve (2) in FIG. 8A is an example.
[0004]
Hereinafter, the voltage-charge amount characteristic of the ferroelectric capacitor represented by the curve (2) in FIG. 8A will be described in detail.
As an initial state, it is assumed that the ferroelectric capacitor is in a state indicated by a point O in the drawing where no electric field is applied and no polarization occurs. As the voltage V between the plates of the capacitor increases, the amount of charge Q generated at the electrodes increases along the path of the curve OA, and changes to the state at point A. At point A, a voltage is applied between the two electrode plates of the capacitor. Due to the voltage, electric charges are generated in the electrode plates and polarization occurs in the ferroelectric material. Next, when the voltage V is reduced to 0, the state of the capacitor changes to the state at the point B following the path of the curve AB. At point B, the voltage V between the two plates of the capacitor is 0, but since the polarization generated at point A remains in the ferroelectric material (residual polarization), charges are generated on the plates by the polarization. ing. Further, when the voltage V is applied in the negative direction, the state of the capacitor changes to the state at the point C following the path of the curve BC. At the point C, a voltage in the opposite direction to that of the point A is applied between the electrode plates, and a charge having a polarity opposite to that of the A is generated in the electrode plate and a polarization in the opposite direction is generated in the ferroelectric material. Further, when the voltage V is returned to 0, the state changes to the point D following the path of the curve CD. At the point D, the polarization generated at the point C remains in the ferroelectric material. A charge having a polarity opposite to that of the point B is generated on the plate. Further, when a positive voltage is applied again, the state changes to the state at the point A by following the path of the curve DA.
[0005]
FIG. 9 shows one method of applying a ferroelectric capacitor having the above characteristics as a semiconductor memory device of FeRAM. FIG. 9A is a voltage-charge amount characteristic diagram of the ferroelectric capacitor similarly to FIG. 8A, but when applied to the memory cells shown in FIGS. It shows a change in the state of the capacitor that occurs when reading out to a line. Here, different data is written in the memory cell of FIG. 9B and the memory cell of FIG. 9C. 9 (b) and 9 (c), 1 is a ferroelectric capacitor for a memory cell, 2 is an access transistor formed of an NMOS transistor, 3 is a word line, 4 is a cell plate, 5 is a bit line, 6 Is the floating capacitance of the bit line 5, and the polarization direction in the ferroelectric capacitor 1 is the same as in FIG. 8B. Hereinafter, the principle of data storage of the FeRAM will be described with reference to FIGS. 9 (a), 9 (b) and 9 (c).
[0006]
Residual polarization occurs when a voltage is applied in the positive direction to the ferroelectric capacitor 1 of the memory cell in FIG. 9B, and the state is represented by a point B in FIG. 9A. Further, remnant polarization occurs when a voltage is applied in the negative direction to the ferroelectric capacitor 1 of the memory cell in FIG. 9C, and the state is represented by a point D in FIG. 9A. .
When reading data from the memory cells shown in FIGS. 9B and 9C, first, the potential BL of the bit line 5 is precharged to the ground level, and then the potential WL of the word line 3 is raised to access the data. Transistor 2 is turned on, and the potential CP of the cell plate 4 is set to VBCUp to Then, a negative voltage is applied to the ferroelectric capacitor 1 and changes toward the state at the point C in FIG. 9A. However, the voltage applied to the ferroelectric capacitor 1 is VBCIs determined by dividing the capacitance of the ferroelectric capacitor 1 by the stray capacitance 6 of the bit line 5 and the ferroelectric capacitor 1, so that the state change of the ferroelectric capacitor 1 in the middle up to the point C differs from the description of FIG. Stops. That is, when the state is at the point B in FIG. 9A, the potential changes to the point E on the curve BC, and the potential generated on the bit line 5 at that time is V.1It is. On the other hand, when it is in the state of the point D, it changes to the point F on the curve DC, and the potential of the bit line 5 at that time becomes V0It is. The relationship of the bit line potential at this time is V1> V0It is. That is, if the state of the ferroelectric capacitor 1 in FIG. 9B is data “1”, the potential of the bit line 5 becomes H (high) level, and the state of the ferroelectric capacitor 1 in FIG. Is data "0", the potential of the bit line 5 becomes L (low) level.
[0007]
As described above, when data is stored in association with the direction of polarization of the ferroelectric capacitor 1 and data is read from the memory cell to the bit line 5, the potential generated on the bit line 5 differs depending on the direction of polarization. It is the data storage principle of FeRAM that discriminates between data "1" and "0" using this fact.
FIG. 10 is a circuit diagram of a memory cell column showing an example of a conventional 1Tr-1C (1-Transistor 1-Capacitance) type semiconductor memory device that stores data using the operation principle of the FeRAM described above. In FIG. 10, 1 is a ferroelectric capacitor for a memory cell, 2 is an access transistor formed of an NMOS transistor for accessing the memory cell, 3 is a word line, 4 is a cell plate, 5 and 7 are bit lines, and 9 is a reference. This is a ferroelectric capacitor for a cell. The area of the ferroelectric capacitor 9 is larger than that of the ferroelectric capacitor 1. Reference numeral 10 denotes an access transistor formed of an NMOS transistor for accessing a reference cell, 11 denotes a reference word line, 12 denotes a reference cell plate, and 13 and 14 denote NMOS transistors for precharging the bit lines 5 and 7 to ground potential. A charging transistor 15 is a control signal φbIs a control signal line that supplies Reference numeral 16 denotes a differential amplifier for amplifying the potential difference between the bit lines 5 and 7, and here, a control signal φs, And two clocked CMOS inverters whose activation and deactivation can be controlled. Reference numeral 17 denotes a data line, 19 denotes a transfer gate connecting the bit line 5 and the data line 17, and a control signal φ.tThus, their electrical conduction / interruption can be controlled.
[0008]
FIG. 11 is a timing chart of the data read operation of the semiconductor memory device of FIG. In FIG. 11, WL, CP, RWL, RCP, BL, and / BL are the potentials of the word line 3, cell plate 4, reference word line 11, reference cell plate 12, bit line 5, and bit line 7, respectively.s, ΦbAre the levels of the control signals for the differential amplifier 16 and the precharge transistors 13 and 14, respectively.
[0009]
A data read operation in the conventional semiconductor memory device will be described with reference to FIGS.
In the initial state, all the nodes in FIG. 10 are at the ground potential, and it is assumed that data “0” is written in the ferroelectric capacitor 9 for the reference cell. First, the potentials WL and RWL of the word line 3 and the reference word line 11 are raised to turn on the access transistors 2 and 10, and the potentials CP and RCP of the cell plate 4 and the reference cell plate 12 are raised. Then, a different potential appears on the potential BL of the bit line 5 depending on the direction of spontaneous polarization of the ferroelectric capacitor 1 for a memory cell, and data “1” and data “0” are read out on the potential / BL of the bit line 7. There is a certain potential between the potentials at the time of contact. Next, the control signal φsTo activate the differential amplifier 16, and amplify the potential BL of the bit line 5 with reference to the potential / BL of the bit line 7. After the amplification is completed, the control signal φtTo turn on the transfer gate 19 and send the potential BL of the bit line 5 to the data line 17. The above is the reading operation in this device.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional semiconductor memory device, the potential used as a reference when determining whether the potential read from the memory cell to the bit line 5 is the H (high) level or the L (low) level is set to the reference cell potential. Is generated by writing data "0" to the ferroelectric capacitor 9 and reading it out to the bit line 7, using a capacitor having a larger area than the ferroelectric capacitor 1 for the memory cell. However, a capacitor having a smaller area than the ferroelectric capacitor 1 for the memory cell is used as the ferroelectric capacitor 9 for the reference cell, and data “1” is written into the ferroelectric capacitor 9 and the data is written to the ferroelectric capacitor 9. It may be generated by reading to the bit line 7.
[0011]
However, in any case, it is possible to design the area of the ferroelectric capacitor 9 for the reference cell which just generates an intermediate potential between the H level and the L level, or to use the ferroelectric capacitor for the reference cell having a certain characteristic as designed. It is difficult to manufacture the body capacitor 9 due to the problem of manufacturing variations.
There are also variations in the characteristics and bit line capacitance of the ferroelectric capacitor 1 for a memory cell, and these factors narrow the 1Tr-1C operation margin and realize a 1Tr-1C FeRAM device that operates stably. It is difficult to achieve high yields.
[0012]
In addition, since the characteristics of the ferroelectric capacitors 1 and 9 change due to stress or the like during use of the device, a phenomenon in which the H-level and L-level potentials from the memory cell and the reference potential from the reference cell fluctuate during use. Occurs and the operation margin is narrowed, which is a major problem in reliability.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device which is a FeRAM which operates stably with a wide operation margin and does not require a ferroelectric capacitor for a reference cell.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor memory device according to claim 1, wherein a memory cell using a ferroelectric capacitor having a capacitance insulating film made of a ferroelectric is used, and data is read from the memory cell.By activating the word lineA first bit line from which data is read, a second bit line paired with the first bit line, and a low-level potential and a high-level potential connected to one electrode of a ferroelectric capacitor of the memory cell A cell plate that suppliesThe precharge potential for optimizing operating conditions isPotential between high level and low level of cell plateA plurality of precharge potentials that can be selected and supplied from different precharge potentials.A potential supply circuit, first and second transfer gates for conducting the potential supply circuit and the first bit line and the second bit line during a precharge period, and cutting off the data read operation; A differential amplifier that amplifies a potential difference between the first bit line and the second bit line by using a precharge potential held on the bit line as a reference potential,After the cell plate activates the word line and before the amplification by the differential amplifier starts,There is both a period in which the cell plate supplies a low-level potential and a period in which the cell plate supplies a high-level potentialDriven asIt is characterized by the following.
[0014]
According to this configuration, the precharge potential of the bit line is set to a potential between the high level and the low level of the cell plate, and when data is read from the memory cell to the first bit line, the precharge potential is held on the second bit line. Since the dropped precharge potential is amplified as the reference potential, the ferroelectric capacitor for the reference cell, which was conventionally required to generate the reference potential, is eliminated, thereby avoiding design and manufacturing problems. can do. In addition, since the precharge potential is used as a reference potential and data is determined based on whether the potential of a bit line from which data is read is higher or lower than the precharge potential, the characteristics of a ferroelectric capacitor for a memory cell and the bit line The effect of the variation in capacitance is greatly reduced, and the same is applied to the fluctuation of the characteristics of the ferroelectric capacitor during use. Therefore, an FeRAM that operates stably with a wide operation margin and has high reliability can be realized.
Furthermore, since a potential supply circuit for supplying different precharge potentials can be selected, the ferroelectric capacitor characteristics for memory cells at the time of P detection (during device inspection in a wafer state immediately after the end of diffusion) and the characteristics at the time of device use An optimal precharge potential can be selected according to the fluctuation, and the operation conditions can be optimized to operate more stably.
[0015]
A semiconductor memory device according to claim 2, wherein first and second memory cells using a ferroelectric capacitor having a capacitive insulating film made of a ferroelectric, and when reading data from the first memory cell.By activating the first word lineA first bit line from which data is read, and a pair with the first bit line, when reading data from the second memory cellBy activating the second word lineA second bit line from which data is read, a cell plate connected to one electrode of a ferroelectric capacitor of the memory cell, and supplying a low-level potential and a high-level potential;The precharge potential for optimizing operating conditions isPotential between high level and low level of cell plateA plurality of precharge potentials that can be selected and supplied from different precharge potentials.A potential supply circuit, first and second transfer gates that conduct the potential supply circuit and the first bit line and the second bit line during a precharge period, and shut off the data read operation; The potential difference between the first bit line and the second bit line is amplified by using the precharge potential held on the second bit line as a reference potential at the time of reading data, and the first potential is read at the time of reading data from the second memory cell. And a differential amplifier for amplifying a potential difference between the first bit line and the second bit line using the precharge potential held on the bit line as a reference potential.After the cell plate activates the first or second word line and before the amplification by the differential amplifier starts,There is both a period in which the cell plate supplies a low-level potential and a period in which the cell plate supplies a high-level potentialDriven asIt is characterized by the following.
[0016]
According to this configuration, in addition to the same effect as the first aspect, the data of the first memory cell is read out to the first bit line, and the data of the second memory cell is read out to the second bit line. Thus, by alternately replacing the bit line for reading data and the bit line for maintaining the reference potential, it is possible to effectively use the bit line and reduce the memory cell block area.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention, and shows a 1Tr-1C FeRAM. In FIG. 1, 1 is a ferroelectric capacitor for a memory cell, 2 is an access transistor formed of an NMOS transistor for accessing the memory cell, 3 is a word line, 4 is a cell plate, 5 and 7 are bit lines (5 is a 1 is a bit line, 7 is a second bit line), 16 is a differential amplifier for amplifying the potential difference between the bit lines 5 and 7, and here a control signal φs, And two clocked CMOS inverters whose activation and deactivation can be controlled. Reference numeral 17 denotes a data line, 19 denotes a transfer gate connecting the bit line 5 and the data line 17, and a control signal φ.tThus, their electrical conduction / interruption can be controlled. Transfer gates 31 and 32 connect the bit lines 5 and 7 and the potential supply circuit 33, respectively.mThus, their electrical conduction / interruption can be controlled. The potential supply circuit 33 can supply an arbitrary potential.
[0019]
The semiconductor memory device of this embodiment eliminates the ferroelectric capacitor 9 for the reference cell and its access transistor 10 in the conventional example shown in FIG. 10, and applies a precharge potential to the bit lines 5 and 7 forming a pair. There are provided a potential supply circuit 33 for supplying, and transfer gates 31 and 32 for conducting / cutting off the potential supply circuit 33 and the respective bit lines 5 and 7. The potential supply circuit 33 supplies a potential between the L level and the H level of the cell plate 4 to the bit lines 5 and 7 as a precharge potential.
[0020]
FIG. 2 is a timing chart of a first data read operation in the semiconductor memory device of FIG. 1, and WL, CP, BL, and / BL indicate a word line 3, a cell plate 4, a bit line 5, and a bit line, respectively. 7 and φs, ΦmAre the levels of the control signals for the differential amplifier 16 and the transfer gates 31 and 32, respectively. A data read operation in this device will be described with reference to FIGS. Here, the description will be made with the L level of the cell plate 4 as the ground and the H level as the power supply voltage.
[0021]
As an initial state, the transfer gates 31 and 32 in FIG. 1 are in an ON state, and the bit lines 5 and 7 are precharged by the potential supply circuit 33 to a potential intermediate between the ground level and the power supply voltage level. Are all at the ground potential.
First, after the precharge is completed, the control signal φmThen, the transfer gates 31 and 32 are turned off, the potential WL of the word line 3 is raised, and the access transistor 2 is turned on. Then, charge moves from the bit line 5 to the ferroelectric capacitor 1 in accordance with the data written in the ferroelectric capacitor 1, and the potential BL of the bit line 5 decreases.
[0022]
Next, when the potential CP of the cell plate 4 is increased, charge moves from the ferroelectric capacitor 1 to the bit line 5 in accordance with the data written in the ferroelectric capacitor 1, and the potential BL of the bit line 5 is increased. Rises. Eventually, the potential BL of the bit line 5 becomes higher than the bit line precharge potential when data “1” is written in the ferroelectric capacitor 1, and when the data “0” is written, It becomes lower than the bit line precharge potential. The control signal φsTo enable the differential amplifier 16 to amplify the precharge potential (/ BL) held on the bit line 7 as a reference potential. After the amplification is completed, the control signal φtTo enable the transfer gate 19 and send the potential BL of the bit line 5 to the data line 17 to complete the read operation.
[0023]
Further, the principle of the data read operation will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the data read operation. 3A, 3B, and 3C, reference numeral 6 denotes a stray capacitance of the bit line 5, and the directions of voltages of the ferroelectric capacitor 1 and the bit line stray capacitance 6 are the same as those in FIG. 8B. The direction from top to bottom is positive. FIG. 4 is a voltage-charge amount characteristic diagram of the ferroelectric capacitor 1 for a memory cell. The horizontal axis represents the voltage V between both electrodes of the capacitor, and the vertical axis represents the charge amount Q stored in the electrode of the capacitor. FIG. 4 shows a state change of the ferroelectric capacitor 1 which occurs when the read operation shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C is performed.
[0024]
FIG. 3A shows a state immediately before data is read out.B0Is charged in the electrode plate by the voltage.B0Has occurred. The ferroelectric capacitor 1 is in the state shown by the point B in FIG. 4 and the voltage V between the plates is 0, but the charge QS0Has occurred. The value of the bit line stray capacitance 6 is CB, The capacitance value of the ferroelectric capacitor 1 is CSAnd put, CBTakes a constant value, but CSHas different values depending on the position on the curve showing the voltage-charge amount characteristic in FIG. One electrode plate of the bit line stray capacitance 6 is connected to the ground, and the other electrode plate is in a high impedance state. One electrode plate of the ferroelectric capacitor 1 is connected to the cell plate 4 kept at the ground level, and the other electrode plate is in a high impedance state.
[0025]
From this state, the potential of the word line 3 is increased, the access transistor 2 is turned on, and the electrode plate in the high impedance state of the bit line floating capacitor 6 and the ferroelectric capacitor 1 as shown in FIG. When electrically connected, charges move from the bit line floating capacitance 6 to the ferroelectric capacitor 1 until the voltage of the two capacitors (1, 6) becomes equal to the inter-electrode voltage, and finally the bit line floating capacitance 6 Voltage VB1And charge QB1Is applied to the ferroelectric capacitor 1 with the voltage VS1And charge QS1Occurs and stabilizes. Further, the state of the ferroelectric capacitor 1 changes to the state at the point G following the curve BG in FIG. The bit line potential V in this stable stateB1And ask for
From the law of conservation of charge,
QB0+ QS0= QB1+ QS1    (1)
Also, since the voltage of both capacitors is equal,
VB1= VS1    (2)
Since the amount of charge stored in the capacitor is the product of the capacitance value and the voltage between the plates, the amount of charge in the bit line stray capacitance 6 is
QB0= CB・ VB0
QB1= CB・ VB1
It becomes.
[0026]
The state change of the ferroelectric capacitor 1 from the point B to the point G in FIG.S1, The charge amount Q of the ferroelectric capacitor 1S1Is
QS1= CS1・ VS1+ QS0    (3)
Substituting these into equation (1) gives
CB・ VB0+ QS0= CB・ VB1+ CS1・ VS1+ QS0
Furthermore, rearranging by substituting equation (2),
CB・ VB0= (CB+ CS1) ・ VB1
Therefore, the bit line potential VB1Is
VB1= {CB/ (CB+ CS1)} ・ VB0    (4)
It becomes.
[0027]
Next, as shown in FIG. 3C, the potential CP of the cell plate 4 is changed to the power supply potential V.D3B, charges move from the ferroelectric capacitor 1 to the bit line stray capacitance 6 in a manner opposite to the case of FIG.DV divided by the capacitance of the bit line stray capacitance 6 and the capacitance of the ferroelectric capacitor 1B2And VS2Occurs and stabilizes. At this time, the charge Q is stored in the bit line stray capacitance 6 and the ferroelectric capacitor 1, respectively.B2And QS2Has occurred. Further, the state of the ferroelectric capacitor 1 changes to the state at the point H following the curve GH in FIG. The bit line potential V in this stable stateB2And ask for
From the law of conservation of charge,
QB0+ QS0= QB2+ QS2    (5)
The sum of the voltages of the bit line floating capacitor 6 and the ferroelectric capacitor 1 is equal to the voltage V.DSo
VB2-VS2= VD      (6)
The charge amount of the bit line stray capacitance 6 is
QB0= CB・ VB0
QB2= CB・ VB2
It becomes.
[0028]
The state change of the ferroelectric capacitor 1 from the point G to the point H in FIG. 4 is approximated by a straight line connecting two points, and its slope is expressed by CS2, Q contact piece to Q2Then,
The approximate straight line is
Q = CS2・ V + Q2
Since this approximation straight line passes through the point G, the relationship between the charge amount Q and the voltage V at the point G is obtained from Expression (3) and substituted.
CS1・ VS1+ QS0= CS2・ VS1+ Q2
When deformed,
(CS1-CS2) ・ VS1+ QS0= Q2
Therefore, the amount of charge of the ferroelectric capacitor 1 is
QS2= CS2・ VS2+ (CS1-CS2) ・ VS1+ QS0    (7)
Substituting these into equation (5) gives
CB・ VB0+ QS0= CB・ VB2+ CS2・ VS2+ (CS1-CS2) ・ VS1+ QS0
Substituting equation (6) and rearranging,
CB・ VB0= (CB+ CS2) ・ VB2-CS2・ VD+ (CS1-CS2) ・ VS1
Further, from equations (2) and (4), VS1Substituting the value of
Figure 0003585374
It becomes.
[0029]
As shown in equation (8), the bit line potential V in FIG.B2Is the precharge potential VB0, Cell plate potential VD, Bit line stray capacitance CB, The approximate capacitance C of the ferroelectric capacitor 1S1And CS2, But generally CS1Is CS2Precharge potential V when smallerB0It tends to be larger. When the ferroelectric capacitor 1 is at the point B in FIG.S1<CS2So, CBAnd VB0And VDIs adjusted, the bit line potential VB2Is the precharge potential VB0Higher than. In short, when electric charges move from the bit line stray capacitance 6 to the ferroelectric capacitor 1, a positive voltage is applied to the ferroelectric capacitor 1 and the change in polarization is small, so that the amount of movement is small. When electric charges move from the dielectric capacitor 1 to the bit line floating capacitance 6, a negative voltage is applied to the ferroelectric capacitor 1 and the amount of movement increases because of a large change in polarization. 5 has been transferred, and the potential of the bit line 5 rises.
[0030]
Also, when the ferroelectric capacitor 1 before reading data is in the state of the point D in FIG.B2Is obtained in the same manner, in which case CS1> CS2Therefore, the bit line potential VB2Is the precharge potential VB0Lower than That is, when electric charges move from the bit line stray capacitance 6 to the ferroelectric capacitor 1, a positive voltage is applied to the ferroelectric capacitor 1, and a large change in polarization causes a large amount of movement. When the charge moves from the capacitor to the bit line floating capacitor 6, a negative voltage is applied to the ferroelectric capacitor 1 and the amount of movement is small due to a small change in polarization. As a result, the charge is transferred to the ferroelectric capacitor 1. Has moved, and the potential of the bit line 5 drops.
[0031]
According to the principle as described above, the potential of the bit line 5 after data reading is higher or lower than the precharge potential depending on the type of data, so that it is possible to determine data using the precharge potential as a reference. is there.
According to this embodiment, when the precharge potential of the bit lines 5 and 7 is set to a potential between the H level and the L level of the cell plate 4 and data is read from the ferroelectric capacitor 1 to the bit line 5, Since the precharge potential held on the bit line 7 is amplified as the reference potential, the ferroelectric capacitor for the reference cell, which was conventionally required for generating the reference potential, is eliminated, and its design and manufacture are eliminated. The above problems can be avoided. In addition, since the precharge potential is used as a reference potential and data is determined based on whether the potential of the bit line 5 from which data is read is higher or lower than the precharge potential, the characteristics and bit of the ferroelectric capacitor for a memory cell are determined. The effect of variations in line capacitance is greatly reduced, as is the case with variations in ferroelectric capacitor characteristics during use. Therefore, a 1Tr-1C type FeRAM that operates stably with a wide operation margin and has high reliability can be realized.
[0032]
In this embodiment, the L level of the cell plate 4 has been described as ground and the H level has been described as the power supply voltage. However, the operation can be performed with the L level of the cell plate 4 being equal to or lower than the ground level. The precharge potentials of the lines 5 and 7 can be set to the ground level, and the potential supply circuit 33 can be simplified.
[0033]
When the level of the word line 3 is raised and when the potential of the cell plate 4 is raised, charge transfer occurs between the ferroelectric capacitor 1 and the bit line 5, but the charge transfer stops. Before stabilization, it is possible to raise the potential of the cell plate 4 and to activate the differential amplifier 16, so that the access time can be shortened.
[0034]
FIG. 5 is a timing chart of the second data reading operation in the semiconductor memory device of FIG. In the second data reading operation, the potential CP of the cell plate 4 is raised to the H level and then returned to the L level once and raised to the H level again with respect to the first data reading operation timing of FIG. Other than the above, the detailed description is omitted, but the operation of activating the differential amplifier 16 after repeating the raising and lowering of the potential CP of the cell plate 4 twice or more as described above is also possible.
[0035]
[Second embodiment]
FIG. 6 is a circuit diagram of a memory cell column of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, and shows a 1Tr-1C type FeRAM. In FIG. 6, reference numeral 21 denotes a ferroelectric capacitor for a memory cell, 22 denotes an access transistor including an NMOS transistor for accessing the memory cell, 23 denotes a word line, 24 denotes a cell plate, 18 denotes a data line, and 20 denotes a bit line 7. Transfer gate connecting the data line 18 to the control signal φt2Thus, their electrical conduction / interruption can be controlled. Note that the transfer gate 19 connecting the bit line 5 and the data line 17 is controlled by the control signal φ here.t1Is controlled by Other components are the same as those in FIG.
[0036]
In the first embodiment described above, in all the memory cells, the data of the ferroelectric capacitor 1 for the memory cell is read out to the bit line 5 via the access transistor 2. In the second embodiment, data is read from the ferroelectric capacitor 21 via the access transistor 22 to the bit line 7 paired with the bit line 5, and the transfer gate 20 is connected to the bit line 7. Is connected to the data line 18 via the. If the ferroelectric capacitor 1 from which data is read to the bit line 5 in FIG. 6 is a first memory cell and the ferroelectric capacitor 21 from which data is read to the bit line 7 is a second memory cell, a memory cell array is formed. There is no particular limitation on the arrangement of the first and second memory cells as long as the first and second memory cells are provided in each memory cell column.
[0037]
In this configuration, the operation of the word lines 3 and 23, the cell plates 4 and 24, and the transfer gates 19 and 20 is the same as that of the first embodiment except that the operation side is selected, and therefore the description thereof is omitted. Further, the transfer gates 19 and 20 generate different signals φ.t1, Φt2Therefore, it is possible to connect only the bit line from which data is read to the data line. However, both the transfer gates 19 and 20 are turned on, and the two bit lines 5 and 7 are respectively connected. There is no problem even if connected to the data lines 17 and 18.
[0038]
According to this embodiment, the ferroelectric capacitors 1 and 21 of the memory cell are connected to the paired bit lines 5 and 7 via the access transistors 2 and 22, respectively. By alternately replacing the bit lines, the bit lines can be effectively used, and the memory cell block area can be reduced as compared with the first embodiment. That is, in the first embodiment, one bit line 7 for the reference potential, which is paired with the bit line 5 from which data is read, is required. In the second embodiment, the bit line on which data is not read is used. By using the lines for the reference potential, since there is no bit line used only for the reference potential, the number of bit lines required to read the same number of bits is 1 / of that in the first embodiment. Become.
[0039]
Further, since the cell plate 4 and the cell plate 24 can be shared, the area of the memory cell block can be further reduced.
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention, and shows a 1Tr-1C type FeRAM. In FIG. 7, reference numerals 41, 42,..., 43 denote potential supply circuits, the potentials of which are different for each circuit. , And 46 are switch elements, and other components are the same as those in FIG.
[0040]
In this embodiment, instead of the potential supply circuit 33 of FIG. 6, a plurality of potential supply circuits 41, 42,... , 43 for selecting the switch elements 44, 45, ..., 46 are provided. With this configuration, one of the potential supply circuits 41, 42,..., 43 is selected by the switch elements 44, 45,. The potential can be selected. Other configurations and operations are the same as those of the second embodiment shown in FIG. 6, and a description thereof will be omitted.
According to this embodiment, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and the potential supply circuits 41, 42,... Since elements 44, 45,..., And 46 can be selected, the memory cell capacitor characteristics at the time of P detection (during device inspection in the wafer state immediately after the end of diffusion) and characteristic fluctuations at the time of device use are adjusted. An optimal bit line precharge potential can be selected, and operating conditions can be optimized for more stable operation.
[0041]
Also, in the first embodiment, a plurality of potential supply circuits 41, 42,..., 43 and switch elements 44, 45,. The same effect can be obtained by providing.
Note that, instead of the switch elements 44 to 46, a switching circuit capable of selecting and connecting a plurality of potential supply circuits 41, 42,..., 43 may be provided.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, the precharge potential of the bit line is set to a potential between the high level and the low level of the cell plate, and when data is read from the memory cell to one of the paired bit lines, the data is applied to the other bit line. Since the held precharge potential is amplified as the reference potential, the ferroelectric capacitor for the reference cell, which was conventionally required to generate the reference potential, is eliminated, and the design and manufacturing problems are eliminated. Can be avoided. In addition, since the precharge potential is used as a reference potential and data is determined based on whether the potential of a bit line from which data is read is higher or lower than the precharge potential, the characteristics of a ferroelectric capacitor for a memory cell and the bit line The effect of the variation in capacitance is greatly reduced, and the same is applied to the fluctuation of the characteristics of the ferroelectric capacitor during use. Therefore, an FeRAM that operates stably with a wide operation margin and has high reliability can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart of a first data reading operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment;
FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of a data read operation according to the first embodiment;
FIG. 4 is a voltage-charge amount characteristic diagram showing a state change of a ferroelectric capacitor at the time of reading data in the first embodiment.
FIG. 5 is a timing chart of a second data read operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment;
FIG. 6 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a voltage-charge amount characteristic (hysteresis characteristic) of a memory cell capacitor of a FeRAM and a DRAM.
FIG. 9 is a diagram showing a memory cell capacitor voltage-charge amount characteristic (hysteresis characteristic) and a state change of a ferroelectric capacitor when data is read from an FeRAM which is a conventional semiconductor memory device.
FIG. 10 is a circuit diagram of a memory cell column of a conventional semiconductor memory device.
FIG. 11 is a timing chart of a data read operation in a conventional semiconductor memory device.
[Explanation of symbols]
Ferroelectric capacitors for 1,21 memory cells
2,22 access transistor
3,23 word lines
4,24 cell plate
5, 7 bit line
16 Differential amplifier
17, 18 Data line
19,20 Transfer gate
31, 32 transfer gate
33, 41, 42, 43 Potential supply circuit
44, 45, 46 switch element

Claims (2)

強誘電体からなる容量絶縁膜を有する強誘電体キャパシタを用いたメモリセルと、
前記メモリセルからデータ読み出し時にワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、
前記第1のビット線と対をなす第2のビット線と、
前記メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、
動作条件を最適化するプリチャージ電位を、前記セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、
前記電位供給回路と前記第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、
データ読み出し時に前記第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて前記第1のビット線と前記第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、
データ読み出し時において、前記セルプレートが前記ワード線の活性化後、前記差動増幅器による増幅開始までの間に、前記セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell using a ferroelectric capacitor having a capacitive insulating film made of a ferroelectric,
A first bit line from which data is read by activating a word line when reading data from the memory cell;
A second bit line paired with the first bit line;
A cell plate connected to one electrode of the ferroelectric capacitor of the memory cell and supplying a low-level potential and a high-level potential;
A plurality of potential supplies configured to be able to select and supply a precharge potential for optimizing an operation condition from a plurality of different precharge potentials between a high level and a low level of the cell plate. Circuit and
First and second transfer gates that conduct the potential supply circuit and the first bit line and the second bit line during a precharge period and cut off at the time of data reading;
A differential amplifier for amplifying a potential difference between the first bit line and the second bit line by using a precharge potential held on the second bit line as a reference potential during data reading;
At the time of data reading, a period in which the cell plate supplies a low-level potential and a period in which the cell plate supplies a high-level potential after the activation of the word line until the start of amplification by the differential amplifier. And a semiconductor memory device driven so that both exist.
強誘電体からなる容量絶縁膜を有する強誘電体キャパシタを用いた第1および第2のメモリセルと、
前記第1のメモリセルからデータ読み出し時に第1のワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、
前記第1のビット線と対をなし前記第2のメモリセルからデータ読み出し時に第2のワード線の活性化によってデータが読み出される第2のビット線と、
前記メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、
動作条件を最適化するプリチャージ電位を、前記セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、
前記電位供給回路と前記第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、
前記第1のメモリセルからデータ読み出し時に前記第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて前記第1のビット線と前記第2のビット線との電位差を増幅し、前記第2のメモリセルからデータ読み出し時に前記第1のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて前記第1のビット線と前記第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、
データ読み出し時において、前記セルプレートが前記第1または第2のワード線の活性化後、前記差動増幅器による増幅開始までの間に、前記セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする半導体記憶装置
First and second memory cells using a ferroelectric capacitor having a capacitor insulating film made of a ferroelectric;
A first bit line from which data is read by activating a first word line when reading data from the first memory cell;
A second bit line paired with the first bit line and reading data by activating a second word line when reading data from the second memory cell;
A cell plate connected to one electrode of the ferroelectric capacitor of the memory cell and supplying a low-level potential and a high-level potential;
A plurality of potential supplies configured to be able to select and supply a precharge potential for optimizing an operation condition from a plurality of different precharge potentials between a high level and a low level of the cell plate. Circuit and
First and second transfer gates that conduct the potential supply circuit and the first bit line and the second bit line during a precharge period and cut off at the time of data reading;
Amplifying a potential difference between the first bit line and the second bit line by using a precharge potential held on the second bit line as a reference potential when reading data from the first memory cell; A differential amplifier for amplifying a potential difference between the first bit line and the second bit line by using a precharge potential held on the first bit line as a reference potential when reading data from a second memory cell With
At the time of data reading, after the cell plate activates the first or second word line and before the amplification by the differential amplifier starts, a period during which the cell plate supplies a low level potential and a high level the semiconductor memory device, wherein a and duration for supplying a potential is driven to both present the.
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